结构件对刀方式及在线对刀仪应用

1前言

对刀是为了确定坐标原点和控制加工精度而对刀具的长度和直径进行测量和调整的操作。对刀是数控加工中的一项重要操作，其准确性将直接影响零件的加工精度和数控加工效率。传统对刀多采用试切法，即试切每把刀具，测量工件尺寸，计算输入补偿值等。这种方法对操作者的技术水平要求很高，每次换刀都要重复上述操作。因此，对刀是占用数控机床辅助时间最长的操作之一。同时，人工试切造成的随机误差大，安全性差，占用机器时间大，影响数控机床的利用率。根据统计数据，一个工件的加工时间只占总时间的55%左右，装夹和对刀的辅助时间占45%左右。因此，为了提高数控机床的加工效率，充分发挥数控机床的功能，对刀仪显示出了巨大的优越性。

2工程机械制造业的对刀方式及发展趋势

目前工程机械行业大型起重机结构件的对刀方式有四种:试切法、机外对刀仪、ATC对刀和数控机床自动对刀[1]。具体操作方法如下。
2.1试切法

根据数控机床所用位置检测装置的不同，试切法可分为相对式和绝对式[2]。相对试切法可通过以下三种方式设定刀具。

1)用量具(如钢直尺等)直接测量。)并对齐工具设置尺寸。这种对刀方式操作简单，但对刀精度低。

2)手动移动刀具，直到刀尖对准定位块的工作面，重新设置坐标显示值，然后回到起始位置，读取坐标值。这种对刀方法的精度取决于刀尖与定位块工作面对齐的精度。

3)一刀加工工作面，测量工件尺寸，然后间接计算对刀尺寸。这种方法包括使刀正确，对刀比较准确。在绝对试切刀具设定中，首先定义参考刀具，然后直接或间接测量被测刀具刀尖与参考刀具之间的距离，作为其他刀具的设定刀具补偿值。

在绝对试切刀具设定中，首先定义参考刀具，然后直接或间接测量被测刀具刀尖与参考刀具之间的距离，作为其他刀具的设定刀具补偿值。上述对刀方式是通过试切工件实现的，采用“试切-测量-调整(补偿)”的对刀方式，占用机器时间较多，对刀效率较低。但对刀方法简单，不需要特殊的辅助对刀设备，所以在经济型低档数控机床上应用广泛。

2.2机外对刀仪对刀。
外部对刀是指安装前在对刀仪上预先调整和测量实际参数，然后将测量数据输入机床的数控系统。这种对刀仪对环境要求较高，多安装在车间的工具房内。对刀仪距离机床较远，操作人员需要用推车将待测刀具从刀具箱中运送到对刀间进行对刀，运送距离长，对刀周期长。

外部工具设置仪器(见图1)可以反映工具的静态几何参数。当刀具旋转时，其动态几何尺寸发生变化，这与静态几何尺寸不同。外置对刀仪可以满足工程机械结构件的加工要求，但当精度要求很高时，外置对刀仪无法满足对刀要求。

2.3 ATC工具设置
ATC刀具设置是指在机床上安装显微镜。显微镜的十字线中心位于机床坐标系中的一个固定点。测量时，用手动脉冲发生器轻微移动刀具，使假刀尖与刀镜中心点重合。数控系统可以自动计算到位点与机床原点的距离，并存储在相应的修刀区。这种对刀方式需要拆卸对刀镜，对刀过程仍然是手工操作和目测，所以会有一些对刀误差。

2.4在线工具设置

在线对刀，即机床自动对刀，是利用数控装置自动测量刀具参数的一种对刀方法。能自动修正刀具补偿值，实现连续数控加工，对刀效率和精度高。另外，在线对刀仪还有以下优点。

(1)刀具破损检测。当刀具磨损到一定程度时，可以根据刀具的允许磨损量设置一个“阈值”。一旦自动对刀仪监测到的刀具误差超过阈值，就认为刀具已经损坏或超过了允许磨损值，那么机床就会自动报警停机，然后强制更换刀具，这样可以提高工件的加工质量，保护刀具和机床。

(2)刀具动态补偿机床在工作循环过程中，产生各种热量，导致机床变形，特别是丝杠的热伸长，改变了刀尖的位置。结果，被加工工件的尺寸精度将受到影响。在线对刀仪可以精确测量刀具动态参数，提高刀具测量精度。

随着数控加工技术的不断发展和在线对刀仪优势的逐渐显现，在线对刀已经成为一种趋势。利用安装在加工中心上的对刀仪，自动测量刀具长度和直径，生成刀具补偿值，自动输入数控系统，自动、实时、快速检测刀具参数并反馈给数控系统。

3在线对刀仪的应用

3.1在线对刀仪的结构
在线对刀系统由对刀仪、防水通信电缆和宏程序对刀软件组成。

对刀仪的核心部件由传感器、高硬度耐磨的硬质合金对刀探头和信号传输接口组成[3]。探针用于与刀具接触，并通过安装在其下方的柔性支撑杆将力传递给传感器。传感器发出的开关量信号通过信号传输接口传输到数控系统，进行刀具方向的识别、计算、补偿和存取。

当刀具接触对刀探头并向下移动时，它接触对刀仪中的高精度开关，并通过通讯电缆向数控系统发送信号。数控系统收到信号后，执行相应的程序实现刀具补偿。

3.2在线对刀仪的工作原理
在线对刀仪是一种刀尖位置检测装置[4]，可以检测刀具更换或磨损时刀尖的长度和直径误差，通过对刀原点的修正来保证加工精度；工件加工时，需要多个刀具时，以一个刀具为基准建立工件坐标系，然后在对刀仪表面设置参考刀具，记录当前坐标值。换刀后，利用对刀仪自动校正刀具高度差，代替人工对刀，提高加工中心的对刀效率和精度(精度可达2μm)。纵向对刀仪的工作原理如图3所示。

3.3在线对刀仪的安装与调试

通过调研，在线对刀试验在公司的双面卧式镗铣床加工中心进行。加工中心采用SINUMERIC840D数控系统，提供两组探针信号输入端子，可以满足在线对刀仪的安装。在线对刀安装分为三步:硬件安装、测量软件安装和测量程序调试。具体操作如下。

(1)硬件安装:对刀仪通过支架固定在机床工作台上(底部和安装面为精铣)，如图4所示。通过防水通信电缆将对刀仪与机床X121插头连接，如图5所示。用西门子840D/810D系统连接探头信号时，将探头的输出信号连接到X121的第9(或第28)脚，并将X121的第10(或第29)脚连接到信号的参考地。

(2)测量软件的安装测量软件由五个子程序组成。程序名称和功能见表1。

将上述五个子程序的软件安装包复制到机床的数控系统中，通过测量软件包中提供的功能完成测头的标定，找出正常使用情况下测头测量面的触发位置。校准结果自动存储在刀具测量程序的宏程序变量中。

测量软件采用两次触发的原理。第一次触发以较快的速度进行，然后从触发位置后退一小段距离，第二次触发以较慢的速度进行，这样既能提高测量效率，又能提高测量精度。

(3)测量程序的调试包括以下三个步骤。

1)探头的校准。为了获得预期的探头测量精度，除了对准探头表面之外，刀具探头必须在所有方向上进行校准。校准的目的是确定探头的准确位置和探头的准确尺寸。工具探头的校准通常由标准心轴进行。用于校准探头的芯轴的长度和直径是精确已知的，校准内容是长度校准和直径校准。

2)工具尺寸测量。通过调用刀具测量子程序，可以实现半自动刀具长度测量(程序号:L967)、半自动刀具直径测量(程序号:L968)、全自动刀具长度测量(程序号:L969)和刀具破损检测(程序号:L969)。以刀具尺寸自动测量为例进行简单介绍。

使用自动刀具测量子程序，可以自动完成刀具尺寸测量。程序按照以下步骤完成整个测量过程:①从刀具库中选择和更换刀具。②移动探头上方的X和Y坐标。③快速保护移动到快速高度(高度值A)并激活被测刀具的长度补偿。④测量切刀长度(输入R7=1或R7=3)。⑤测量刀具直径(输入R7=2或R7=3)。⑥Z轴快速返回换刀位置。调用过程如下。

L960年

R3=s R7=w[R1=t HTN= "工具名称" R4=e R5=f]L969

3)工具测量验证。使用预调直径为139mm的粗镗刀测量并验证刀具直径，执行L968测量程序，即可快速测量刀具直径，测量结果为F139.446 mm。

测量程序如下。

L960年

R1=1

R3=139

1968年

4结束语

通过对工程机械行业对刀方法和常用对刀仪使用情况的调研，提出了一种适用于大型起重机结构件对刀测量的自动对刀仪，并在公司大型加工中心进行了可行性和应用效果测试。实践表明，在线对刀仪能快速检测刀具的长度、直径和破损情况，提高大型结构件的对刀效率。